Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6940
Main Title: Photo- and thermo-responsive poly (ethylene glycol)-based biomaterials
Subtitle: synthesis, characterization, patterning and application in biological studies
Translated Title: Licht- und Thermo-Responsible Poly (Ethylenglykol)-basierte Biomaterialien
Translated Subtitle: Synthese, Charakterisierung, Strukturierung und Anwendung in biologischen Studien
Author(s): Rahman, Rahima
Advisor(s): Lensen, Marga C.
Referee(s): Lensen, Marga C.
Santer, Svetlana
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Chemically incorporated azobenzenes (AZO) with in a matrix can generate multi-responsive materials that exhibit both temperature and light responsivity; hence act as multi-responsive system. The main aim of the work presented here was to design novel multi-responsive gels having chemically crosslinked azobenzene moiety incorporated into Poly (Ethylene Glycol) (PEG) matrix. The chemically bonded azobenzenes in the gel matrix are expected to provide a control over the gel properties using light and temperature stimuli. We expected to control the actuation and sensing property of synthesized gels using both stimuli. As the PEG matrix used is biocompatible, the gels are also expected to possess biocompatibility. Di-acrylate based azobenzene monomers (AZO) were synthesized and were subjected to gelation with PEG derivatives (PEG-575, 8-PEG-Acr and 8-PEG-VS) using different techniques and strategies. UV curing was found not to work with all of three tested PEG derivatives even with high ratio of PI and CL. Amine Michael-type addition applied as second alternative did not work well with PEG-575 but 8-PEG-Acr and 8-PEG-VS made tunable gels by using this technique. These gels were prepared with varying AZO: PEG ratio and could accommodate up to 50% wt. ratio of both precursors. Hence, we positively synthesized Novel chemically crosslinked AZO/PEG gels using “amine Michael-type addition”. The characterization of chemically crosslinked AZO/PEG gels was done using different techniques. Structural studies were done using FTIR, Raman, and UV-Visible spectroscopic studies. Rheological measurements were done to evaluate the gelation time and mechanical strength of gels using time, frequency and temperature sweep. Surface characterization gels were done using atomic force (AFM) and surface electron microscopy (SEM). Light irradiation produces geometric changes in azobenzenes and under appropriate conditions, these changes can be translated into larger-scale motions, even in macroscopic movements of the material system. In order to test the responsiveness of AZO/PEG gels with light and temperature, they were subjected to many experiments. AZO/PEG polymeric gels showed mechanical actuation under the sunlight. Also, these gels showed response to body heat and proved to be thermal responsive as well. Also, azobenzenes exhibits some antimicrobial properties against bacteria and fungi. PEG is a well-known biocompatible substrate in biomedical industry. Therefore PEG matrix with chemically crosslinked antimicrobial azobenzene moiety draws an attention for biological evaluation. The cytocompatibility of AZO/PEG gels for cell applications was tested against Mouse Fibroblast (L-929). Gels showed good compatibility to Mouse Fibroblast (L-929) cells. It was observed that AZO/PEG gels substrate promotes the cell adhesion of Mouse Fibroblast (L-929) therefore, cell adhesion behavior was monitored. Noticeable increase in the cells adherence was observed on the AZO/PEG gels substrate exhibiting higher ratio of AZO. In order to evaluate the dependence of the cell adherence on the surface wettability, WCA values of AZO/PEG gels were determined. It was observed that the substrate with more AZO content promotes cell adhesion. The reason for this marked increase is the change in the WCA values of AZO/PEG gels. The addition of aromatic unit in the PEG backbone causes this modification. This addition changes the hydrophilic PEG surface to hydrophobic one. Antibacterial and anticancer activity of AZO monomer was monitored in solution state. AZO monomer showed moderate antibacterial activity against E.coli bacterium and good anticancer activity against Hep-G2 cell line. In order to provide a platform for the selective cell adhesion, several patterning techniques were applied and compared. A novel patterning technique “Micro-de-Molding” was designed to display the AZO/PEG gels in a micro-pattern at the biomaterial’s surface. These patterned surfaces were characterized through optical microscopy using SEM and AFM. These measurements provided a proof for the positive development of the desired pattern. The patterned surfaces were subjected to cell studies to monitor the selective adhesion of mouse fibroblast (L-929) cells. The L-929 showed a selective adhesion on the AZO/PEG gels stripes. The cells were distributed randomly. Keeping in mind the importance of Au-NPs, patterning of AZO/PEG gels was also carried out with Au-NPs of 80 nm size. SEM characterization of the pattern provided the clue for effective patterning. At the end, holographic lithography was used to pattern the AZO/PEG gels. SRGs of 2 µm spacing were expected and the results were reasonably promising.
Chemisch inkorporierte Azobenzole (AZO) in einer Matrix können multiresponsive Materialien generieren, die sowohl Temperatur- als auch Lichtresponsivität aufweisen; und daher als multiresponsives System agieren. Das Hauptziel der Arbeit war es neuartige multiresponsive Gele zu designen, die chemisch vernetzte Azobenzoleinheiten in Poly(Ethylenglycol) (PEG)-Matrix enthalten. Es wird erwartet, dass die chemisch gebundenen Azobenzole in der Gel-Matrix die Eigenschaften des Gels mittels Licht- und Temperatureinfluss kontrollieren. Wir erwarteten die Betätigungs- und Sensoreigenschaften der synthetisierten Gele durch beide Einflüsse zu kontrollieren. Da die verwendete PEG-Matrix biokompatibel ist, wird das azobenzol-gebundene Gel auch als biokompatibel erwartet. Di-acrylat basierte Azobenzole (AZO) wurden synthetisiert und mit PEG-Derivaten zur Gelbildung unterworfen (PEG-575, 8-PEG-Acr und 8-PEG-VS), wobei verschiedene Techniken und Strategien benutzt wurden. Bei der UV-Vernetzung wurde festgestellt, dass es nicht bei allen der drei verschiedenen PEG-Derivaten funktioniert, sogar bei hohen PI und CL-Anteilen. Amine Michael-Type Addition Reaktion wurde als zweite alternative Vernetzungsmethode eingesetzt, welche bei PEG 575 nicht sehr gut funktionierte aber bei 8-PEG-Acr und 8-PEG-VS abstimmbare Gele hervorbrachte. Diese Gele wurden durch die Variation von AZO:PEG-Anteilen hergestellt und es konnten 50 gew.% der beiden Prekursoren untergebracht werden. Infolgedessen haben wir neuartige chemisch vernetzte AZO/PEG-Gele durch „Amin-Michael Typ Additionsreaktion“ erfolgreich synthetisiert. Die Charakterisierung der chemisch vernetzten AZO/PEG-Gele wurde mittels verschiedener Techniken vollzogen. Strukturelle Studien wurden mittels FTIR, Raman, und UV-Vis-spektroskopischen Studien untersucht. Rheologische Messungen wurden vollzogen, um die Vernetzungszeit und die mechanische Festigkeit der Gele mittels Zeit-, Frequenz- und Temperaturabtastung zu bestimmen. Oberflächencharakterisierungen der Gele wurden mittels Atomkraftmikroskopie (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM/SEM) durchgeführt. Lichteinflüsse führten zu geometrischen Veränderungen der Azobenzole und unter bestimmten Voraussetzungen konnten diese Veränderungen auch in größere Skalen übertragen werden, sogar als makroskopische Bewegungen des Materials. Um die Responsivität des AZO/PEG-Gels mit Licht und Temperatur zu bestimmen, wurden verschiedene Experimente durchgeführt. AZO/PEG polymere Gele wiesen mechanische Bewegungen unter Sonnenlicht auf. Diese Gele zeigten auch Responsivität auf Körpertemperatur auf und wurden bewiesen, dass sie auch auf thermische Anregungen reagieren. Ebenfalls haben die Azobenzole antimikrobielle Eigenschaften gegenüber Bakterien und Pilze. PEG ist ein weit bekannter, biokompatibler Stoff in der biomedizinischen Industrie. Demzufolge weist die PEG-Matrix mit chemisch vernetzten, antimikrobiellen Azobenzoleinheiten eine hohe Aufmerksamkeit in der biologischen Auswertung auf. Die Zytokompatibilität der AZO/PEG-Gele für zelluläre Anwendungen wurden mittels Maus Fibroblasten (L-929) getestet. Die Gele zeigten eine gute Kompatibilität gegenüber Maus Fibroblast (L-929) Zellen. Es wurde beobachtet, dass AZO/PEG-Gel Substrate Zelladhäsionen von Maus Fibroblasten (L-929) fördern, diese wurden Zelladhäsionsexperimente gezeigt. Einen auffälligen Anstieg der Zelladhäsion auf AZO/PEG-Gel Substrate mit hohen AZO-Anteilen wurde beobachtet. Um den Einfluss der Oberflächenbenetzungsverhalten auf die Zelladhäsion zu überprüfen, wurden Wasserkontaktwinkelmessungen (WCA) der AZO/PEG-Gele untersucht. Eine hohe Zelladhäsion bei hohen Anteilen an AZO wurde festgestellt; der Grund für dieses Verhalten wurde durch die verschiedenen WCA-Werte der AZO/PEG-Gele festgestellt. Das Herbeiführen der aromatischen Einheiten ins PEG-Rückgrat war der Grund für diese Modifikation. Diese Addition änderte die hydrophile PEG-Oberfläche zu einer hydrophoben Oberfläche. Antibakterielle- und Antikrebsaktivitäten von AZO-Monomeren wurden in der Lösung gezeigt. AZO-Monomere zeigten eine mittelmäßige antibakterielle Aktivität gegenüber E-coli Bakterien und eine gute Antikrebsaktivität gegen Hep-G2 Zell-Linien. Um eine Plattform für die selektive Zelladhäsion zu ermöglichen, wurden verschiedene Strukturierungstechniken angewendet und verglichen. Eine neuartige Strukturierungsmethode „Micro-de-Molding“ wurde entworfen um die AZO/PEG-Gele als Mikrostrukturen auf Biomaterialoberflächen zu designen. Diese strukturierten Oberflächen wurden mittels optischer Mikroskopie, SEM und AFM charakterisiert. Diese Methoden bestätigten die erfolgreichen Strukturierungen der geplanten Oberflächen. An den strukturierten Oberflächen wurden Zelladhäsion der Maus Fibroblasten (L-929) untersucht. Die Maus Fibroblasten (L-929) zeigten eine selektive Adhäsion auf den AZO/PEG-Gel Streifen. Die Zellen verteilten sich zufällig auf den Linien. Aufgrund der Wichtigkeit der Au NPs wurden AZO/PEG-Gele mit 80 nm großen Au NPs strukturiert. SEM Charakterisierung bestätigte die erfolgreiche Strukturierung. Schließlich wurde die holographische Lithographie für die Strukturierung der AZO/PEG-Gele benutzt. SRGs von 2 µm Abständen wurden erwartet und die Resultate waren vielversprechend.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7762
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6940
Exam Date: 4-Apr-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 8-May-2018
DDC Class: 541 Physikalische Chemie
Subject(s): biomaterials
poly-ethylene glycol
polymeric gels
photo-responsive
thermo-responsive
Biomaterialien
Polyethylenglykol
Polymergele
Lichtresponsivität
Temperatureinfluss
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in Collections:FG Nanostrukturierte Biomaterialien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
rahman_rahima.pdf6.29 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.